基于Nios II的非一般模式类设备设计与集成

液晶显示简介

GM12864A是带显示存储器的图形液晶显示器。它的内部是由两块KS0108B作为列显示控制器和一片KS0107B作为行显示控制器组成。显示屏上各像素点的显示状态与显示存储器的各位相互对应，显示存储器的数据直接作为图形显示的驱动信号。显示数据为“1”，相应的像素点变亮。液晶屏结构如图1所示。

图1 液晶屏GM12864A的结构图

PIO类的介绍

设计初始阶段主要的目的在于充分了解新设备的特性与控制方法，为之后的设备集成打好基础。因此采用通用的输入输出控制接口(PIO)直接对液晶屏的引脚进行控制。

Nios II中PIO分为三大类：输入(I)、输出(O)和三态(Tri)。PIO通过Avalon总线与Nios II相连接。如图2所示。

图2 通用输入输出接口与Nios II的连接

接口的设计

在Quartus II中新建一个工程，芯片类型选择Cyclone 1C6Q240C8。设置画面如图3所示。

图3 芯片设置界面

工程创建完成后在SOPC Builder中定制Nios II处理器。液晶屏显示器驱动接口在设计初步作为普通的外部设备，用PIO进行操作。所以为系统增添所需要的PIO接口。设计完成后如图4所示。

图4 定制的Nios II处理器结构

定制结束后生成Nios II处理器模块。生成后回到Quartus II中进行系统顶层结构的设计。通过SOPC Builder生成的Nios II模块需要一个时钟和一个复位输入端，输出与定制时所设计的一致。增添相应的输入输出引脚。顶层结构如图5所示。

图5 液晶屏控制系统顶层结构

将控制系统编译，液晶屏与芯片的接口连接电路如图6所示。

图6 液晶屏与FPGA的接口电路

液晶屏显示模块的HAL集成

为了更好的对新外设进行高效二次开发，通过编写外设驱动并集成到HAL中是最好的方法。这样可以更加方便的再次构件系统，有效降低开发周期，提高开发效率，降低开发难度。
开发外设并集成的开发流程如图7所示。

图7  新设备集成HAL流程

对于新外部设备的HAL集成流程是从设备功能角度出发并划分控制单元模块，因此使控制程序代码对设备无关，即外部设备细节控制对开发者是透明的，从而使代码具有更好的规范性和可移植性。当此设备处于不同的硬件配置的Nios II系统时仍能正常工作。

结语

在Altera FPGA中使用软核处理器Nios II可以将外部存储器、液晶显示屏、以太网控制器等外部设备连接在一起，进行外设的协调工作和数据共享。从而具有较高灵活性并且能适应变化较多的技术领域。

一个新的外部设备只要根据Nios的内部规范编写驱动就可以集成到HAL中，加强新设备的运行稳定性和二次使用的效率。

另外，可以根据系统的需要添加多个Nios II处理器实现“多内核”系统或者在Nios II核中加入实时操作系统(RTOS)，实现多任务的调度。运用Altera的SOPC技术可以高效快速的开发一个用户定制的片上系统。并且具有外围电路少，控制灵活方便，研发周期短等特点。

参考文献
1.   王彦. 基于FPGA的LCD驱动程序设计 [J]. 真空电子技术，2004(6)：55
2.  Altera. Nios II Processor Reference Handbook [DB/OL]. 2005 May 2006 (var6.0). http://www.altera.com.cn/literature/hb/nios2/n2cpu_nii5v1.pdf
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5.  GB2132-80，国家标准汉字字符集 [S].
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